DE10113329A1

DE10113329A1 - Turbo-molecular pump stator radiate heat to rotor

Info

Publication number: DE10113329A1
Application number: DE10113329A
Authority: DE
Inventors: Roland Blumenthal; Robert Stolle; Thomas Palten; Dirk Kalisch
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-09-26
Also published as: WO2002075157A1

Abstract

A turbo-molecular pump has a stator (14) with a cooling system (24) and a rotor (15). The stator and/or rotor discs have a heat radiation emissivity ( of at least 0.7. Heat is transported from the rotor to the facing stator by radiation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit einem Sta tor, einem Rotor und einer am Stator vorgesehenen Kühlvorrich tung.The invention relates to a turbomolecular pump with a Sta gate, a rotor and a cooling device provided on the stator tung.

Eine Turbomolekularpumpe dient dazu, ein Hochvakuum zu er zeugen, indem die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen durch Zu sammenstöße mit schnell bewegten Flächen eines Rotors einen Im puls in Förderrichtung erhalten. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist so groß, dass die Umfangsgeschwindigkeit (am Außen rand der Rotorscheiben) in die Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu pumpenden Gasmoleküle kommt. Je nach Größe der Pumpe beträgt die Drehzahl zwischen 20.000 und 100.000 U/min.A turbomolecular pump is used to create a high vacuum testify by the individual gas particles to be pumped out by Zu collisions with rapidly moving surfaces of a rotor Get pulse in the conveying direction. The speed of rotation of the Rotors is so large that the peripheral speed (on the outside edge of the rotor disks) in the order of the middle thermal speed of the gas molecules to be pumped. Depending on the size of the pump, the speed is between 20,000 and 100,000 rpm.

Für die Verwendung von Turbomolekularpumpen in Hochvakuum prozessen der Halbleiter- und Beschichtungstechnologie gewinnt die Temperatur des vom Medium durchströmten Pumpenbereichs so wie der Flächen, die diesen Pumpenbereich begrenzen, immer mehr an Bedeutung. Es besteht häufig die Forderung, diese Bereiche zu beheizen bzw. auf einer möglichst hohen Temperatur zu hal ten. Der maximale thermische Einsatzbereich wird in der Regel von der zulässigen Maximaltemperatur des Rotors begrenzt. Ein Überschreiten der zulässigen Temperatur führt zu frühzeitigem Versagen der Turbine durch Materialkriechen oder gar Material bruch.For the use of turbomolecular pumps in high vacuum processes of semiconductor and coating technology wins the temperature of the pump area through which the medium flows like the areas that limit this pump area, more and more in importance. There is often a demand for these areas to heat or hal at the highest possible temperature The maximum thermal application range is usually limited by the permissible maximum temperature of the rotor. On Exceeding the permissible temperature leads to premature Turbine failure due to material creep or even material fracture.

Turbomolekularpumpen, bei denen der Stator eine Kühlvorrichtung enthält, sind bekannt. Die Kühlung bzw. Temperaturregelung des Stators auf einen gewünschten Wert ist relativ einfach durchzu führen, beispielsweise durch den Einbau einer Kühlschlange mit entsprechender Regelung des Kühlmitteldurchsatzes. Dagegen ist die Temperatur des Rotors schwierig zu beherrschen, weil es nicht möglich ist, während des Betriebes dem Rotor ein Kühl medium zuzuführen und es auch wieder abzuführen.Turbomolecular pumps in which the stator is a cooling device contains are known. The cooling or temperature control of the Stator to a desired value is relatively easy to do lead, for example by installing a cooling coil corresponding regulation of the coolant throughput. Against it the temperature of the rotor difficult to control because of it is not possible to cool the rotor during operation medium supply and discharge it again.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbomolekular pumpe zu schaffen, die eine wirksame Wärmeabfuhr von den Schei ben des Rotors ermöglicht.The invention has for its object a turbomolecular pump to create an effective heat dissipation from the Schei ben of the rotor.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach weisen der Stator und/oder der Rotors eine Oberfläche mit einer Wär mestrahlungsemissivität s von mindestens 0,7 auf. Die Emissivi tät ist eine dimensionslose Größe, die Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Sie gibt das Strahlungsvermögen einer Fläche an, das gleich dem Absorptionsvermögen ist und für einen schwarzen Körper den Wert 1 hat. Während die Scheiben von Stator und Rotor einer Turbomolekularpumpe üblicherweise aus Aluminium be stehen, das mit Nickel beschichtet ist und eine glatte Oberfläche bildet, deren Emissivität etwa 0,3 beträgt, ist erfin dungsgemäß die Emissivität der Scheibenoberfläche relativ hoch. Vorzugsweise gilt die Emisivität von mindestens 0,7 sowohl für die Scheiben des Stators als auch für diejenigen des Rotors.This object is achieved with the im Claim 1 specified features. According to the Stator and / or the rotor a surface with a heat radiation emissivity s of at least 0.7. The emissivi act is a dimensionless quantity, the values between 0 and 1 can accept. It indicates the radiance of an area which is equal to the absorbency and for a black one Body has the value 1. While the discs from stator and Rotor of a turbomolecular pump is usually made of aluminum stand, which is coated with nickel and a smooth surface forms, whose emissivity is about 0.3, is invented According to the emissivity of the surface of the pane is relatively high. The emisivity of at least 0.7 preferably applies to both the discs of the stator as well as those of the rotor.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass ein Wärmeübertrag vom Rotor auf den Stator durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung erfolgen kann. Da die Scheiben einander nicht berühren, findet Wärmeleitung nur in geringem Maße statt, da die Dichte des Gases gering ist. Infolge des Vakuums kommt ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion nur geringfügig vorhan den. Durch den hohen Wert von ε wird ein hoher Wärmefluss durch Wärmestrahlung erzeugt, wodurch eine Angleichung der Rotortem peratur in Richtung auf die Statortemperatur bewirkt wird.The invention is based on the idea that heat transfer from the rotor to the stator by heat conduction, convection and Heat radiation can take place. Because the disks don't match each other touch, there is only a small amount of heat conduction, because the density of the gas is low. As a result of the vacuum is coming heat transfer by convection is only slightly present the. The high value of ε means that there is a high heat flow Generates heat radiation, causing an alignment of the rotor temp temperature in the direction of the stator temperature.

Die Oberflächen der Scheiben sind vorzugsweise von einer Be schichtung gebildet, insbesondere aus einem Keramikmaterial. Vorzugsweise enthält die Beschichtung Aluminiumoxid.The surfaces of the disks are preferably of a Be Layering formed, in particular from a ceramic material. The coating preferably contains aluminum oxide.

Eine andere Möglichkeit der Erzielung einer Oberfläche mit hoher Strahlungsemissivität besteht darin, die Oberfläche auf zurauen, beispielsweise durch Strahlen (nach Art des Sand strahlens) oder Ätzen.Another way of achieving a surface with high radiation emissivity is the surface rough, for example by blasting (depending on the type of sand blasting) or etching.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.In the following, reference will be made to the drawings management examples of the invention explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen schematischer Längsschnitt durch eine erste Aus führungsform einer Turbomolekularpumpe, Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a first form from execution of a turbo molecular pump,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Ausführungsform mit einer sich an die Scheibenstufe anschließenden Gewinde stufe nach dem Holweck-Prinzip, Fig. 2 is a comparison with FIG. 1 modified embodiment with a following stage to the disc thread stage after the Holweck principle,

Fig. 3 eine Turbomolekularpumpe nach dem Holweck-Prinzip, Fig. 3 shows a turbo-molecular pump according to the Holweck principle,

Fig. 4 eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wo bei die spiralförmigen Nuten sich am Stator befinden, und Fig. 4 is a turbomolecular pump based on the Siegbahn principle, where the spiral grooves are on the stator, and

Fig. 5 eine weitere Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn- Prinzip, wobei die Spiralen sich am Rotor befinden. Fig. 5 shows a further turbo-molecular pump according to the principle Siegbahn-, wherein the spirals are located on the rotor.

Die Turbomolekularpumpe weist ein Pumpengehäuse 10 auf, das an einem Ende einen Vakuumanschluss 11 besitzt und am gegenüber liegenden Ende durch einen Basisflansch 12 abdichtend ver schlossen ist. Vom Basisflansch 12 geht der Vorvakuumanschluss 13 ab, an den eine Vorvakuumpumpe angeschlossen wird.The turbomolecular pump has a pump housing 10 which has a vacuum connection 11 at one end and is sealed in a sealing manner at the opposite end by a base flange 12 . The forevacuum connection 13 , to which a forevacuum pump is connected, goes from the base flange 12 .

Das Gehäuse 10 enthält einen Stator 14 aus zahlreichen Ringen, welche ein Paket bilden, von dem Schaufeln oder Scheiben 16 radial nach innen abstehen.The housing 10 contains a stator 14 made of numerous rings, which form a package, from which blades or disks 16 protrude radially inwards.

Der Stator 14 umgibt einen Rotor 15, der eine Rotorwelle 18 aufweist, welche von einem Motor 17 angetrieben ist. Der Rotor 15 weist zahlreiche radial abstehende Scheiben 20 auf, die je weils zwischen die Scheiben 16 des Stators ragen. Die Scheiben 16 und 20 bilden jeweils Kompressionsstufen.The stator 14 surrounds a rotor 15 which has a rotor shaft 18 which is driven by a motor 17 . The rotor 15 has numerous radially projecting disks 20 , each of which projects between the disks 16 of the stator. The disks 16 and 20 each form compression stages.

Der Motor 17 ist zusammen mit einer Magnetlagerung der Welle 18 in einer Kartusche 22 untergebracht, welche über einen be stimmten Teil gehalten wird, das an dem Basisflansch 12 ange schraubt ist. Der Stator oder ein damit wärmeleitend verbundenes Teil, beispielsweise der Basisflansch 12 oder die Kar tusche 22 oder der Motor 17, enthält einen Temperaturmessfühler 21. Der Basisflansch 12 enthält eine Kühlschlange 24, die von einem Kühlmedium durchströmt ist. Die Durchflussrate des Kühl mediums wird in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt, die der oder die Temperaturmessfühler 21 angeben.The motor 17 is housed together with a magnetic bearing of the shaft 18 in a cartridge 22 which is held over a certain part which is screwed to the base flange 12 . The stator or a part connected to it in a thermally conductive manner, for example the base flange 12 or the cartridge 22 or the motor 17 , contains a temperature sensor 21 . The base flange 12 contains a cooling coil 24 through which a cooling medium flows. The flow rate of the cooling medium is regulated in dependence on the temperature that the temperature sensor or sensors 21 indicate.

Die einander zugewandten Flächen der Scheiben 16 und 20 sind mit einer Beschichtung aus KEPLA-Coat (registrierte Marke der Fa. AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG, Kerpen) versehen, einer Keramik, die Aluminiumoxid aufweist. Diese Beschichtung hat eine Strahlungsemissivität s von mehr als 0,7.The mutually facing surfaces of the disks 16 and 20 are provided with a coating of KEPLA-Coat (registered trademark of AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG, Kerpen), a ceramic which has aluminum oxide. This coating has a radiation emissivity s of more than 0.7.

Der sich beim Betrieb der Turbomolekularpumpe erwärmende Rotor 15 gibt über die Scheiben 20 Strahlungswärme an den Stator 14 ab, welcher durch die Kühlvorrichtung 24 gekühlt wird. Die aus getauschte Wärmeleistung ergibt sich nach folgender Gleichung:
The rotor 15 , which heats up during operation of the turbomolecular pump, emits radiant heat to the stator 14 , which is cooled by the cooling device 24 , via the disks 20 . The heat output exchanged results from the following equation:

Hierin ist
die ausgetauschte Wärmeleistung in W,
A die Fläche der sich gegenüberstehenden Scheiben in m²,
ε_R die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Rotors,
ε_S die Emissivität bzw. der Emissionsgrad des Stators,
σ = 5,67 W/m²K⁴, die Boltzmann-Konstante (Naturkonstante),
T_R die Temperatur des Rotors in K,
T_S die Temperatur des Stators in K. Here is
the exchanged heat output in W,
A is the area of the opposing panes in m ² ,
ε _R the emissivity or emissivity of the rotor,
ε _S the emissivity or emissivity of the stator,
σ = 5.67 W / m ² K ⁴ , the Boltzmann constant (natural constant),
T _{R is} the temperature of the rotor in K,
T _S the temperature of the stator in K.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, bei der sich an den Scheibenabschnitt 25 der zusammengreifende Scheiben 16 und 20 von Rotor und Stator enthält, eine Gewindestufe 26 anschließt. In der Gewindestufe 26 hat der Rotor 15 an seiner Außenseite eine schraubenförmige Nut 27, die sich mit geringem Abstand an einer zylindrischen Innenfläche 28 des Stators 10 entlangbewegt. Die Gewindestufe 26 schließt sich an die Scheibenstufe 25 an. In der Gewinde stufe 26, die auch als Holweck-Stufe bezeichnet wird, sind ebenfalls mindestens die einander zugewandten Flächen von Stator 10 und Rotor 15 mit einer Wärmestrahlungsemissivität s von mindestens 0,7 ausgestattet. Die Temperaturmessfühler 21 sind an stationären Komponenten vorgesehen, beispielsweise am Basisflansch 12, an der Kartusche 22 oder am Motor 17. Eine Kühlvorrichtung 24 ist im Basisflansch 12 vorgesehen.The exemplary embodiment in FIG. 2 is a turbomolecular pump in which a threaded stage 26 is connected to the disk section 25 of the mating disks 16 and 20 of the rotor and stator. In the threaded stage 26 , the rotor 15 has on its outside a helical groove 27 which moves along a cylindrical inner surface 28 of the stator 10 at a short distance. The thread stage 26 adjoins the disk stage 25 . In the thread stage 26 , which is also referred to as the Holweck stage, at least the mutually facing surfaces of the stator 10 and rotor 15 are also equipped with a heat radiation emissivity s of at least 0.7. The temperature sensors 21 are provided on stationary components, for example on the base flange 12 , on the cartridge 22 or on the motor 17 . A cooling device 24 is provided in the base flange 12 .

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 handelt es sich um eine Turbomolekularpumpe, die nur aus einer Gewindestufe oder Hohl weck-Stufe besteht, wobei schraubenförmige Nuten 27a, 27b an der Innenwand des Stators 10 vorgesehen sind, während der Rotor 15 eine zylindrische Außenfläche hat. Die Gewindegänge der Gewin destufen 27a und 27b sind gegenläufig. Die Pumpe fördert von dem Vakuumanschluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13, der sich in der axialen Mitte der Pumpe befindet und auf den die schrau benförmigen Nuten der Gewindestufen zulaufen. Der Rotor 15 wird von einem Motor 17 angetrieben. Auch hier ist eine (nicht dar gestellte) Kühlvorrichtung im Stator 10 vorgesehen, deren Kühl leistung von mindestens einem Temperaturmessfühler 21 geregelt wird. Die einander zugewandten Flächen von Stator und Rotor haben eine Emissivität ε von mindestens 0,7. In the embodiment of FIG. 3 is a turbo-molecular pump, which consists of only one thread stage or hollow wake-up stage, said helical grooves 27 a, 27 b on the inner wall of the stator 10 is provided, while the rotor 15 is a cylindrical outer surface Has. The threads of the thread stages 27 a and 27 b are in opposite directions. The pump conveys from the vacuum connection 11 to the forevacuum connection 13 , which is located in the axial center of the pump and to which the screw-shaped grooves of the thread stages run. The rotor 15 is driven by a motor 17 . Here too, a cooling device (not shown) is provided in the stator 10 , the cooling power of which is regulated by at least one temperature sensor 21 . The facing surfaces of the stator and rotor have an emissivity ε of at least 0.7.

Fig. 4 zeigt eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prin zip, wobei ein scheibenförmiger Rotor 15 in einem Stator 10 oder Gehäuse rotiert. Der scheibenförmige Rotor 15 weist ebene Flächen auf, die jeweils einer spiralförmigen Nut 28a, 28b des Stators zugewandt sind. Die Pumpe fördert von dem Vakuuman schluss 11 zu dem Vorvakuumanschluss 13. Fig. 4 shows a turbomolecular pump according to the Siegbahn principle, with a disk-shaped rotor 15 rotating in a stator 10 or housing. The disk-shaped rotor 15 has flat surfaces, each of which faces a spiral groove 28 a, 28 b of the stator. The pump conveys from the vacuum connection 11 to the forevacuum connection 13 .

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 handelt es sich eben falls um eine Turbomolekularpumpe nach dem Siegbahn-Prinzip, wobei die spiralförmigen Nuten 28a, 28b an den Flächen des scheibenförmigen Rotors 15 vorgesehen sind, während die Innen flächen des Stators 10 eben sind.In the embodiment of FIG. 5, it is just necessary to a turbo-molecular pump according to the Siegbahn principle, wherein the helical grooves 28 a, 28 b on the surfaces of the disc-shaped rotor 15 are provided, while the inner surfaces of the stator 10 are flat.

Auch bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 4 und 5 ist ε min destens 0,7, so dass eine Wärmeabfuhr durch Strahlung von dem Rotor auf den Stator erfolgt.Also in the embodiments of FIGS. 4 and 5 min ε least 0.7, so that a heat transfer by radiation from the rotor to the stator.

Claims

1. Turbomolecular pump with a stator ( 14 ), a rotor ( 15 ) and a cooling device ( 24 ) provided on the stator ( 14 ), characterized in that those surfaces of the stator ( 14 ) and / or of the rotor ( 15 ) that the each facing another part (rotor or stator), have a heat radiation emissivity u of at least 0.7.

2. turbomolecular pump according to claim 1, characterized records that the surfaces are covered by a coating forms are.

3. turbomolecular pump according to claim 2, characterized records that the coating is made of a ceramic material consists.

4. turbomolecular pump according to claim 3, characterized records that the coating has aluminum oxide.

5. turbomolecular pump according to claim 1, characterized in that the surfaces of the disks ( 16 , 20 ) are machined by roughening.

6. Turbomolecular pump according to one of claims 1-5, characterized in that on the stator ( 14 ) or on a component connected to the stator ( 14 ) a temperature measuring sensor ( 21 ) for regulating the cooling device ( 24 ) is net angeord.